無模鑄造成形技術(shù)在渦輪殼類零件鑄造加工中的應(yīng)用

張敬驥， 佟寶波

（北京金隅科技學(xué)校， 北京 102403）

1 渦輪殼類零件采用傳統(tǒng)鑄造加工方法存在的問題

1.1 傳動(dòng)鑄造方法精度低，不能滿足渦輪殼類復(fù)雜零件的生產(chǎn)

渦輪殼類零件常用于發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓器等精密設(shè)備的組裝，對零件的進(jìn)出氣端口、殼端和裝配面等部位有很高的精度要求。渦輪殼內(nèi)、外的輪廓多為復(fù)雜的曲面，該零件模具的模樣使用三軸或者多軸機(jī)床不能滿足加工的要求，因此要采用無模鑄造快速成形技術(shù)進(jìn)行鑄造，該技術(shù)能借助計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)快速、合理的設(shè)計(jì)渦輪殼的模具，滿足渦輪殼類零件的使用和精度要求。

1.2 傳統(tǒng)鑄造方法效率低、生產(chǎn)周期長，不能滿足市場的要求

使用傳統(tǒng)的鑄造方法都需要先加工模樣，借助普通或者數(shù)控技術(shù)加工模樣的周期較長，大型復(fù)雜的鑄件鑄型的制造周期多達(dá)數(shù)月。市場的競爭越發(fā)激烈，對企業(yè)提出個(gè)性化、短周期的要求，因此傳統(tǒng)的鑄造方法無法適應(yīng)市場和技術(shù)的發(fā)展。

1.3 傳統(tǒng)鑄造方法的成本較高，不利于單件、小批量新產(chǎn)品的研發(fā)工作

以渦輪殼零件為例，使用傳統(tǒng)鑄造方法需要翻砂造型、制造模樣，零件復(fù)雜曲面的精度不能滿足要求。隨著市場對于短交貨期、高精度和低成本需求的日益增加，各類汽車企業(yè)鑄件新產(chǎn)品的種類繁多，傳統(tǒng)的鑄造方法不適用于企業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)工作。

2 無模鑄造成形技術(shù)的原理和流程

2.1 無模鑄造成形技術(shù)的原理

無模鑄造成形技術(shù)是一種先進(jìn)的數(shù)字化成形技術(shù)。以鑄件的三維CAD 模型文件為載體，使用創(chuàng)建的鑄造工藝數(shù)據(jù)庫和鑄造模擬仿真技術(shù)優(yōu)化零件的模型，借助UG 等軟件完成對零件模具的澆注系統(tǒng)、排氣孔和分型定位等方面的注塑模設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際的加工需求將模具分成多個(gè)砂型、砂芯單元，制作好符合加工尺寸的砂坯，使用數(shù)控技術(shù)切削加工模具的輪廓和型腔，檢測模具的尺寸及質(zhì)量，合格后將各個(gè)砂型、砂芯單元坎合組裝出復(fù)合鑄型，熔融金屬澆注制造出高精度的復(fù)雜零件。

2.2 無模鑄造成形技術(shù)的流程

無模鑄造成形技術(shù)的工藝流程可以分為7 個(gè)環(huán)節(jié)，依次是“數(shù)字化設(shè)計(jì)—工藝數(shù)據(jù)庫及仿真—鑄型分?！芭髦苽洹靶停ㄉ靶荆┘庸ぶ圃旌蜋z測—復(fù)合鑄型坎合組裝—澆注”7 個(gè)環(huán)節(jié)。

3 渦輪殼零件采用無模鑄造技術(shù)的加工方法

3.1 渦輪殼澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

渦輪殼零件內(nèi)外的輪廓較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)澆鑄系統(tǒng)時(shí)要考慮外模和砂芯的澆鑄和排氣等因素，需要設(shè)置直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道、冒口和出氣棒等要素，如圖1 所示。設(shè)置的參數(shù)和方法正確合理，能保證渦輪殼零件澆鑄的質(zhì)量。

圖1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.2 渦輪殼砂芯和外模的分型設(shè)計(jì)

因?yàn)闇u輪殼零件內(nèi)部有復(fù)雜的型腔和管路，所以首先要將零件的外模和砂芯進(jìn)行分割，在得到完整的砂芯后，根據(jù)加工的需求與限制，將砂芯合理拆分為上、中、下三個(gè)部分。

渦輪殼的外模分型面設(shè)置在殼體外側(cè)直徑最大處，可以將內(nèi)澆道上平面作為分型面，以此保證外模分模后便于銑削加工。

3.3 渦輪殼砂芯和外模的定位設(shè)計(jì)

渦輪殼的模具是依次將外模和砂芯組裝在一起使用，所以三個(gè)砂芯間要做定位設(shè)計(jì)，下砂芯與中砂芯采用定位圓錐銷和圓錐孔的設(shè)計(jì)，中砂芯與上砂芯采用方形的錐銷和錐孔的定位設(shè)計(jì)，限制旋轉(zhuǎn)的自由度，要保證砂芯之間定位準(zhǔn)確。

為了保證下砂芯和外模組裝時(shí)定位準(zhǔn)確，必須要限制砂芯在外模的內(nèi)部Z 向旋轉(zhuǎn)自由度。可以在砂芯處制作“芯頭”，該芯頭在砂芯與外模組裝時(shí)能嵌入到外模的凹槽中，起到了限制砂芯在外模內(nèi)部沿著Z 軸旋轉(zhuǎn)的自由度，以此能更好地保證砂芯和外模的組裝精度。

3.4 渦輪殼砂芯和外模的數(shù)控編程加工

借助UG 軟件強(qiáng)大的數(shù)控編程加工功能，根據(jù)制定的各個(gè)砂芯單元的加工工藝，設(shè)置需要的刀具和加工方法（型腔銑、深度輪廓銑），合理設(shè)置切削參數(shù)，生成加工的刀路軌跡。使用軟件的模擬仿真加工功能檢驗(yàn)刀路的正確性，通過后處理功能生成需要的加工程序，以上4 個(gè)步驟完成了渦輪殼零件分型定位設(shè)計(jì)和數(shù)控編程加工的準(zhǔn)備任務(wù)。

3.5 渦輪殼砂芯和外模的切削加工

在使用UG 軟件完成渦輪殼的數(shù)控編程加工后，將生成的程序傳入數(shù)字化無模鑄造精密成形機(jī)的設(shè)備中，在工作臺安裝好砂坯，進(jìn)行銑刀的對刀操作，檢驗(yàn)程序無誤后根據(jù)制定的加工工藝內(nèi)容分為粗銑平面、粗銑型腔輪廓和精加工等多個(gè)工步依次進(jìn)行加工，注意加工時(shí)背吃刀量、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的合理設(shè)置，及時(shí)清理積沙，保證加工的精度。

3.6 模具的精度檢測

將加工好的模具清潔后貼光標(biāo)點(diǎn)，使用掃描儀和掃描專用的軟件VXelements 對其進(jìn)行掃描，獲得零件的輪廓和尺寸數(shù)據(jù)。通過Geomajic control 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和分析，能快速、精準(zhǔn)的判斷模具的精度是否符合要求，提高了檢測的效率和精度。

4 無模鑄造成形技術(shù)的優(yōu)勢

4.1 縮短生產(chǎn)周期，提高加工精度

無模鑄造工藝采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，信息處理過程一般只需要幾小時(shí)即可，對比傳統(tǒng)的鑄造方法，無模鑄造技術(shù)有效縮短了復(fù)雜零件的生產(chǎn)周期。由于采用了型芯直接數(shù)字化加工，取消起模斜度，提高了零件成形精度。以渦輪殼零件為例，無模鑄造成形技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)對比如表1 所示。

表1 無模鑄造技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的數(shù)據(jù)對比

4.2 提高柔性化程度，利于復(fù)雜鑄型的生產(chǎn)

對于結(jié)構(gòu)輪廓復(fù)雜且含有自由曲面的鑄件時(shí)，可以充分發(fā)揮無模鑄造成形技術(shù)坎合組裝、自適應(yīng)鑄型等特有的工藝特點(diǎn)，提高了復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)效率和精度，有效的增加了鑄型設(shè)計(jì)的靈活性，解決了傳統(tǒng)鑄造方法不能完成的復(fù)雜零件鑄造任務(wù)，保證了鑄件生產(chǎn)的高效率、高精度和高質(zhì)量要求。

4.3 節(jié)約生產(chǎn)資源，實(shí)現(xiàn)綠色鑄造

對比傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)，無模鑄造成形技術(shù)不用木模、金屬模等模具翻砂造型，不需要起模斜度和工藝補(bǔ)貼量，對鑄件進(jìn)行有效的減重，便于推動(dòng)鑄件輕量化、高精度、高效率和綠色制造的特點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，顯著提高了工作環(huán)境的舒適度，降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了能源和原材料的使用，效果十分明顯，促進(jìn)我國鑄造業(yè)向綠色鑄造方向的轉(zhuǎn)型與發(fā)展。